基于单片机的信号发生器的设计.docx
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基于单片机的信号发生器的设计
课程设计(论文)说明书
题目:
基于单片机的信号发生器的设计
院(系):
专业:
学生姓名:
学号:
指导教师:
职称:
2011年12月13日
摘要
本课程设计以STC89C52单片机为核心设计了一个低频函数信号发生器。
信号发生器采用数字波形合成技术,通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形,波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。
波形和频率的改变通过软件控制,幅度的改变通过硬件实现。
介绍了波形的生成原理、硬件电路和软件部分的设计原理。
本系统可以产生各种频率波形。
该信号发生器具有体积小、价格低、性能稳定、功能齐全的优点。
关键词:
低频信号发生器;单片机;D/A转换
Abstract
ThiscoursedesignbasedonSTC89C52single-chipmicrocomputerasthecoredesignofalow-frequencysignalgeneratorfunction.Signalgeneratorwithdigitalwaveformsynthesistechnology,thehardwarecircuitandsoftwareprogramcombined,canoutputsinewave,suchascustomwaveform,squarewave,trianglewaveandotherarbitrarywaveform,frequencyandamplitudeofthewaveforminacertainrangecanbechangedarbitrarily.Waveformandfrequencychangethroughsoftwarecontrol,thechangeoftheamplitudeisrealizedbyhardware.Introducesthewaveformgenerationprinciple,hardwarecircuitandsoftwaredesignprinciple.Thesystemcangeneratevariousfrequencywaveform.Thesignalgeneratorhastheadvantagesofsmallvolume,lowprice,stableperformance,completefunctions
Keywords:
Lowfrequencysignalgenerator;Singlechipmicrocomputer;D/Aconversion
目录
引言1
1设计题目及要求2
2系统概述2
2.1方案选择2
2.1.1总体方案2
2.1.2改变幅度方案2
2.2工作原理2
2.2.1单片机最小系统的设计2
2.2.2系统框图4
3单元电路设计与分析4
3.1系统硬件设计4
3.1.1主控电路4
3.1.2数/模转换电路5
3.1.3运算放大电路和低通滤波电路6
3.2系统软件设计6
4调试过程7
5系统仿真波形7
6测量仪器8
7课设总结8
谢辞9
参考文献10
附录11
引言
能产生多种波形,如三角波、锯齿波、方波、正弦波的电路被称为函数信号发生器,又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有广泛的应用。
信号发生器是一种用于产生标准信号的电子仪器,在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
随着科学技术的发展,对它的要求越来越高。
在工业生产和科研中利用信号发生器输出的信号,可以对元器件的性能及参数进行测量,还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定。
常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的,当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大,这样不但参数准确度难以保证,而且体积和功耗都很大,而由数字电路构成的低频信号发生器,虽然其低频性能好但体积较大,价格较贵,因此,高精度、宽调幅、低价格将成为数字量信号发生器的发展趋势。
信号发生器按其低频率的高低,可分为:
超低频信号发生器,低频信号发生器,高频信号发生器,超高频信号发生器,微波信号发生器;按产生波形的不同,可分为:
正弦波信号发生器,脉冲波函数波信号发生器,任意波信号发生器;按调制方式的不同,可分为:
调频信号发生器,调幅信号发生器,调相信号发生器,脉冲调制信号发生器;此外,还可以产生两种或多种波形信号发生器。
作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。
信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源,并具有基本的调制功能。
现在是数字化时代,研发或其它人员对测量仪器是最基本的工具,测量仪技术指标上也不断提高。
如精度高、工作频带宽、误差小等。
能够满足不同层次用户的测试要求。
近几年,数字化仪器在迅速发展,我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。
目前使用的信号发生器大部分是利用AT89S52单片机构成的发生器,本课程设计通过硬件电路和软件程序相结合,可输出自定义波形,如正弦波、方波、三角波及其他任意波形,波形的频率和幅度在一定范围内可任意改变。
波形和频率的改变通过软件控制,幅度的改变通过硬件实现。
1设计题目及要求
设计题目:
基于单片机的信号发生器的设计与实现
设计一个由单片机控制的信号发生器。
运用单片机系统控制产生多种波形,这些波形包括方波、三角波、正弦波等。
信号发生器所产生的波形的频率可调节。
并可通过软件任意改变信号的波形。
任务与要求:
基本要求:
1.产生三种以上波形。
如正弦波、三角波、矩形波等。
2.能产生不同的频率
扩展要求:
产生更多的频率和波形。
2系统概述
2.1方案选择
2.1.1总体方案
方案一:
利用MAX038芯片组成的电路输出波形。
MAX038是精密高频波形产生电路,能够产生准确的锯齿波、三角波、方波和正弦波四种周期性波形。
但此方案成本高,程序复杂度高。
方案二:
采用AT89C52单片机和DAC0832数模转换器生成波形,加上一个低通滤波器,生成的波形比较纯净。
它的特点是可产生任意波形,频率容易调节,频率能达到设计的500HZ以上。
性能高,在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。
经比较,方案二既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势,电路简单,易控制,性价比高,所以采用该方案.
2.1.2改变幅度方案
方案一:
可以将送给DA的数字量乘以一个系数,这样就可以改变DA输出电流的幅度,从而改变输出电压;但是这样做缺点是单片机在做乘法运算时需要很长的时间,从而输出波形的频率就会很低;并且该方案的输出电压做不到连续可调,当DA的输入数字量比较小时,输出的波形失真就会比较严重。
方案二:
将输出电压通过一个运算放大器的放大。
这样还有个优点是幅度连续可调。
经比较,方案二既可满足课程设计的基本要求,并且电路也挺简单。
2.2工作原理
2.2.1单片机最小系统的设计
AT89C52是片内有ROM/EPROM的单片机,因此,这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。
用89C52单片机构成最小应用系统时,只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可,如图2-189C52单片机最小系统所示。
由于集成度的限制,最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
其应用特点:
(1)有可供用户使用的大量I/O口线。
(2)内部存储器容量有限。
(3)应用系统开发具有特殊性。
图2-189C52单片机最小系统
单片机的P0口连接DAC0832的八位数据输入端,DAC0832的输出端接放大器,经过放大后输出所要的波形。
DAC0832的为八位数据并行输入的,其结构图如图2-2:
图2-2DAC0832的内部结构
2.2.2系统框图
数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号,因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。
89C52单片机本身就是一个完整的微型计算机,具有组成微型计算机的各部分部件:
中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等,只要将89C52再配置数模转换及波形输出、放大电路等部分,即可构成所需的波形发生器,其信号发生器构成系统框图如下图2-3所示。
89C52是整个波形发生器的核心部分,通过程序的编写和执行,产生各种各样的信号,并从按键接收数据,进行各种功能的转换和信号幅度的调节。
当数字信号电路到达转换电路,将其转换成模拟信号也就是所需要的输出波形。
图2-3系统框图
3单元电路设计与分析
3.1系统硬件设计
3.1.1主控电路
设计中主要采用STC89C52型单片机,它具有如下优点:
(1)拥有完善的外部扩展总线,通过这些总线可方便地扩展外围单元、外围接口等。
(2)该单片机内部拥有4K字节的FLASHROM程序存储器空间和256字节的RAM数据存储空间,完全可以满足程序的要求。
由于该芯片可电擦写,故可重复使用。
如果更改程序内容,可将芯片拿下重新烧写。
(3)该单片机与工业标准的MCS-51型机的指令集和输出引脚兼容。
中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。
当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件,要求CPU暂停当前的工作,转而去处理这个紧急事件。
在波形发生器中,用两个开光直接与外部中断0和外部中断1的管脚相连,其中S1开光用来改变波形,S2开光用来改变频率。
在程序主函数中,我们写了个死循环一直输出一个默认的波形,当S1或S2按下又抬起时,程序会暂时跳出死循环,进入中断处理程序,从而对波形和频率进行改变。
时钟电路。
由于频率较大时,三角波、正弦波、方波等波中每一点延时时间为几微秒,故延时时间还要加上指令时间即可得到指定频率的波形,该电路用11.0592MHz晶振。
图3-1主控电路图
3.1.2数/模转换电路
由于单片机产生的是数字信号,要想得到所需要的波形,就要把数字信号转换成模拟信号,所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有8位分辨率的数模转换器DAC0832。
DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。
如图3-2。
但实际上,DAC0832输出的电量也不是真正能连续可调,而是以其绝对分辨率为单位增减,是准模拟量的输出。
DAC0832是电流型输出,在应用时外接运放使之成为电压型输出。
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式,DAC0832有三种工作方式:
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
本设计选用直通方式。
DAC0832的数据口和单片机的P0口相连。
CSDA:
片选信号输入线(选通数据锁存器),低电平有效;
WR:
数据锁存器写选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1,当LE1为高电平时,数据锁存器状态随输入数据线变换,LE1的负跳变时将输入数据锁存;
图3-2数模转换电路
3.1.3运算放大电路和低通滤波电路
图3-3运算放大电路和低通滤波电路
LM324的5管脚与DAC0832的(IOUT2)12管脚相连,LM324的6管脚与DAC0832的(IOUT1)11管脚相连,LM324的7管脚与DAC0832的REF(9)管脚相连.
运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为电压信号,运算放大器的输出端连了一个低通滤波器。
如果不加低通滤波器,也能够生成波形,但是产生的信号中毛刺很多,加一个低通滤波器不仅起到的滤波的作用,还起到了平滑的作用。
3.2系统软件设计
本系统采用AT89C52单片机,用编程的方法来产生各种波形,并通过编程来切换四种波形以及波形频率的改变。
具体功能有:
(1)各个波形的切换;
(2)各种参数的设定;(3)频率增减等。
软件调试后,通过编程器下载到AT89C52芯片中,然后插到系统中即可独立完成所有的控制。
主程序流程图如图3-4:
图3-4主程序流程图
4调试过程
不通电,用万用表根据电路图仔细检查各线路连接是否正常;首先是调试单片机部分,DA和运算放大器芯片不接。
用STC_ISP_V483软件通过串口下程序;看是否可以正常下程序;当可以正常下程序时,给51单片机下程序;安上DA和运算放大器芯片,给单片机下测试程序,通过示波器看观察波形,分别按下S1,看波形是否改变。
按下S2,看频率是否改变。
5系统仿真波形
矩形波
锯齿波
正弦波
6测量仪器
示波器、直流稳压电源、万用表
7课设总结
通过本次课程设计,基于单片机的信号发生器设计,这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。
通过单片机控制一个模数转换器DAC0832产生所需要的电流,然后使用运算放大器LM324可以将其电流输出线性地转换成电压输出,再将电压经过运算放大器的放大,可以得到足够幅度的信号。
通过程序的控制,可以产生一系列有规律的波形。
总体来说,学会了怎么发现问题与解决问题,最终实现了信号发生器的设计。
谢辞
本次课程设计遇到诸多问题,首先对我的指导老师王国富表示衷心的感谢,给我们的课程设计提出改善意见。
另外,在这过程中,感谢我的同学们,谢谢你们,有你们的相助,使我成功的完成此次课程设计。
参考文献
[1]郭天翔.新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全.北京.电子工业出版社,2009.1
[2]童诗白.模拟电路技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2000.171~202
[3]余小平.电子系统设计—基础篇(第二版),北京航空航天大学出版社,2010
[4]张毅坤陈善久裘雪红主编.单片微型计算机原理及应用,西安电子科技大学出版社,2004
附录
总体原理设计图
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 信号发生器 设计